波超声自动探测门禁系统设计

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目：基于 IOS 的语音识别技术的研究与设计学生姓名：荣成学 号：2012013981所在学院：信息工程学院专业班级：通信工程 2 班届 别：2012 届指导教师：张峰辉皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书1.本人郑重承诺：所提交的毕业设计（论文） ，题目波超声自动探测门禁系统设计是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容； 2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源； 3. 毕业设计（论文）中无抄袭、剽

2、窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况； 4.本人已被告知并清楚：学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果； 5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。 学生（签名）： 日期： 年 月 日目目 录录前言 .21 绪论 .21.1 课题研究现状 .21.2 课题研究目的 .21.3 课题研究内容

3、.32 IOS 系统的简介 .32.1 iOS 的开发介绍 .32.1.1 iOS 开发硬件环境 .32.1.2 iOS 开发软件环境 .42.2 开发语言 ObjectC 简介 .52.2.1 OC 语言的发展史 .53 系统方案设计 .63.1设计要求.73.2 设计方案 .73.2.1 设计思路 .73.2.2 设计系统结构 .74 主要元器件介绍 .84.1 AT89S52 单片机 .84.1.1 单片机特性 .94.1.2 单片机管脚 .94.2 温度传感器 DS18B20 .124.2.1 DS18B20 简述 .124.2.2 DS18B20 工作原理 .124.2.3 DS18

4、B20 主要特性 .144.3 超声波传感器 HC-SR04 .144.3.1 HC-SR04 主要参数 .154.3.2 HC-SR04 原理图 .154.3.3 HC-SR04 工作原理 .164.4 LCD1602 液晶显示器 .174.4.1 LCD1602 简介 .174.4.2 LCD1602 管脚及特性 .174.5 步进电机 .184.5.1 步进电机简介 .184.5.2 步进电机工作原理和特点 .195 硬件电路设计 .195.1 AT89S52 单片机模块 .205.2 DS18B20 测温模块 .205.3 HC-SR04 超声波集成模块 .205.4 LCD 显示模块

5、 .215.5 电机控制模块 .226 软件设计 .226.1 主程序流程 .236.2 子程序设计 .236.2.1 DS18B20 子程序 .236.2.2 LCD1602 子程序 .246.2.3 超声波发送和超声波接收程序 .246.2.4 电机驱动子程序 .257 软硬件调试与 PROTEUS 仿真 .267.1 软件编译 .267.2 硬件设计 .267.3 软硬件仿真设计 .277.4 仿真结果 .287.5 误差分析 .30参考文献： .31皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)1波超声自动探测门禁系统设计 学生：陈传涛（指导老师：张峰辉）（皖西学院信息工程学院）摘要：本文

6、详细介绍了以 AT89S52 单片机为核心所设计波超声自动探测门禁系统，对超声波测距系统的发生电路和接收电路、电机控制及其 DS18B20 温度采集电路，LCD 显示电路等进行硬件设计。软件设计采用模块化设计，有主程序、收发超声波子程序、LCD 显示子程序、电机控制子程序和 DS18B20 温度采集子程序等模块组成。各模块之间通过单片机进行控制处理，实现测距、监控距离、控制电机等功能。关键词：超声波，DS18B20 温度采集，电机，LCDWave Ultrasonic Automatic Detection Entry SystemsStudent: Chen Chuantao(Faculty

7、 Adviser：Zhang Fenghui)West Anhui University School of Information EngineeringAbstract:This paper describes the AT89S52 microcontroller as the core of the design wave ultrasonic automatic detection access control systems, ultrasonic ranging system generating circuit and a receiving circuit, motor co

8、ntrol and DS18B20 temperature acquisition circuit, LCD display circuit hardware design. Software design is modular in design, there is the main program, send and receive ultrasonic subroutine, LCD display routines, subroutines, and motor control subroutine DS18B20 temperature acquisition module. Bet

9、ween the modules through the MCU control processing, ranging, monitoring distance, control motor functions.Key words: ultrasonic, DS18B20 temperature acquisition, motors, LCD皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)2前言在当今科学技术日新月异、飞速发展的信息时代，智能门禁系统也应运而生。其中超声波控制门禁系统是一种综合性的多学科的高科技技术集合，它涉及电子、机械、光学、计算机技术、通信技术、等诸多技术领域。1 绪论1.1

10、 课题研究现状智能门禁系统根据应用不同的技术可以分为多种门禁系统，如按键门禁系统、智能 IC 卡门禁系统、密码门禁系统、指纹识别门禁系统和超声波门禁系统等，本课题研究的就是超声波门禁系统。随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、雷达测距和激光测距等。其中，雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、测量速度快等优势，尤其对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但成本价格太高，数据处理复杂。可是，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高

11、，使用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。因此波超声自动探测门禁系统尤其适合在办公楼、商场、酒店等场所使用，其独特的“见人就开，人走远才关”的特点，一直吸引着顾客以及学者对其进一步的优化。1.2 课题研究目的智能门禁安全管理系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等。智能门禁系统是智能建筑楼宇自动化系统中的安全系统， 它集

12、微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。作为一种新型现代化安全管理系统，门禁系统把自皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)3动识别技术和现代安全管理措施结合起来 适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等，也适用于一些娱乐休闲场所。在社会财富不断增长的今天，寻求更便捷智能的设施是当今人们热衷的，在一些建筑物内人流量大的通道口所使用的按键门禁系统、 IC 卡门禁系统和密码门禁系统等会非常的不适用，因为它们容易造成人群堵塞，在不注意的情况下容易夹着人，对人员造成伤害。在科技高速发展的今天

13、，智能化已经融入于人们的正常生活中，因此，研究一种智能化的门禁系统是当今研究的主要方向。1.3 课题研究内容波超声自动探测门禁系统就是具有代表性的研究课题，首先了解超声波的基本概念、测距的原理、电机控制以及可用于设计自动门的便捷方法，掌握应对距离测距的相关补偿方法等。对波超声自动探测门禁系统进行软硬件设计，利用超声波探测门附近是否有人或物体靠近，门自动打开，检测人或物离开一段预置距离后，门自动关闭。完成软硬件的调试，并对设计进行优化和分析误差原因。2 超声波测距的原理2.1 超声波简介声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式，振动频率大于 20000Hz 以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高

14、，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz） ，我们把这种听不见的声波成为超声波。超声波是一门以物理、电子、机械以及材料科学为基础的，各行各业都要使用的通用技术之一。超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗；超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。超声波可传递很强的能量，而且能量消耗缓慢，环境污染小。2.1.1 超声波传播速度超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：（1）横波，质点振动方向垂直皖西学院 20

15、11 届本科毕业设计(论文)4于传播方向的波；（2）纵波，质点振动方向与传播方向一致的波；（3）表面波，质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固液气体中传播，表面波随深度的增加其衰减越快，一般为了测量各种状态下的物理量基本都采用纵波形式的超声波。2.1.2 超声波的物理特性当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射，叫做超声波的反射；另一部分被透射过界面，在相邻的介质内部继续传播，叫做超声波的折射。图 2.1 超声波的发射和折射如图 2.1 所示，当超声波传播到两种不同介质特性阻抗的平面分界面上时，一部分被反射，叫做超声波的反射；另一部分被透射

16、过界面，在相邻的介质内部继续传播，叫做超声波的折射。（1）声波反射系数：11221122coscoscoscoscpcpcpcpR11221122coscos2cpcpcpcpT注：为声波的入射角，为声波的反射角，、分别为两介质的特性22cp11cp阻抗，其中，为反射波和折射波的速度。反射角、折射角和声速，满足折1c2c1c2c射定律表达式：21sinsincc皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)5当超声波垂直入射界面时，= 0，即 。1122112211cpcpcpcpR1122112212cpcpcpcpT如果，入射波完全被反射，在相邻两个的介质中没有折射波。21sincc（2）声波

17、的衰减超声波在一种介质中传播，它的声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下。距离声源 x 处的声压 P 和声强 I 的衰减规律如下： AxePP0AxeII20注：,为距离声源 x=0 处的声压和声强；x 为超声波所处位置到声源的距0P0I离，A 为衰减系数，单位(奈培/厘米)。cmNp/2.2 超声波测距原理超声波测距是利用反射原理来测量距离的，一端为超声波传感器，另一端为能够反射的物体。图 2.2 测距原理如图 2.2 所示使用超声波测距系统测量距离时，将超声波传感器对准反射物体，开始发送超声波，并同时开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到反射物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波

18、就立即停止计时，根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离，测量距离 L 为 （2.1）ctL21皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)6注：c 为超声波的传播速度， 为超声波从发射到接收返回波的时间。t2.2.1 测量距离与传播时间的关系由 2.3 表达式可知，距离的测量值及其精度主要取决于超声波传播速度和计时精度两个方面。在传播速度准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要达到微秒级，就能保证测距误差小于 1mm 的误差。使用 12MHz 的晶体做时钟基准的AT89S52 单片机定时器能方便的计数到 1s 的精度，基本不会产生累计误差。2.2.2 测量距离与温度的关系超声波的

19、传播速度 c 是随环境变化而改变的，如温度、空气密度和气体分子成份等，它们的关系式为 （2.2）KTcMRTc27310注： 为气体定压热容与定容热容的比值，空气为 1.40； R 为气体普适常数，为 8.314kg/mol； T 为气体势力学温度，与摄氏温度的关系是 T=273K+t； M 为气体相对分子质量，空气为 28.8kg/mol;310 c0为 0时的声波速度，为 331.4m/s。由 2.3 表达式可知，c 331.5 + 0.61T（T 为摄氏温度） ，可以计算出超声波速度与温度的关系，如表 2.1 所示。超声波在空气中传播时，受温度的影响较为大，温度越高，空气分子的密集程度就

20、越大，超声波的传送速度越快。表 2.3 超声波传播速度与温度关系表项目数值温度-30-20-1001020304050声速/( ms)3133193253323383443503563613 系统方案设计测量距离的方法很多，如红外线、激光、雷达和超声波等，但超声波传感器测皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)7距以其非接触式、携带方便、简单易用且超声波传感器价格低廉，易于小型化和集成化，可以实时控制等优点被人们广为应用。本章主要讲述本设计的设计要求和设计方案，对以 AT89S52 单片机为核心的主控制模块的波超声自动探测门禁系统进行结构分析和设计。3.1 设计要求系统主要研究的是基于单片机

21、的超声波测距和电机控制，其主要功能要求如下：（1）能实时显示测量距离；（2）当测量距离小于等于预置值时（本设计预置值为 200cm） ，系统通过控制电机将门打开（门用 LED 灯亮灭代替门的开关） ；（3）当测量距离大于预置值时，系统通过控制电机将门关上。本设计拓展功能如下：（1）能进行温度补偿并显示温度值；（2）当距离大于 600cm 的时候 LCD 显示 CCC；（3）通过按键可调整预置值的大小。3.2 设计方案3.2.1 设计思路测量距离的方法很多，如红外线、激光、雷达和超声波等，超声波测距适用于高精度中长距离的测量，而且超声波测距以其非接触式、携带方便、简单易用且超声波传感器价格低廉，

22、易于小型化和集成化，可以实时控制被人们广为应用。超声波测距是通过单片机控制发射出 40KHz 频率的超声波，此时单片机计时器开始计时，超声波遇到障碍物反射回来由超声波接收探头接收信号并产生中断，此时定时器停止计时。单片机通过温度传感器进行温度补偿校正超声波在当时温度下的传播速度，并由路程 L 与超声波速度 C 和计时时间 t 的关系计算出传感器和障碍物的距离 L。根据设计要求，并通过查找大量的数据资料和考虑各种因素后，本设计采用AT89S52 单片机作为主控制模块，使其控制 40KHz 脉冲的触发和超声波从发射到接收的时间差；选用 HC-SR04 超声波模块实现超声波的发射和接收；选用皖西学院

23、 2011 届本科毕业设计(论文)8DS18B20 进行温度补偿，校正超声波在不同温度下的传播速度；通过 LCD 显示传感器的与障碍物的实时距离和当时的温度；通过电机控制 LED 灯灭模拟门的开关。3.2.2 设计系统结构通过对系统功能设计要求的分析和论证，考虑实际应用、价格成本等因素，最终确定系统方案结构框图如图 3.1 所示，它主要由以下模块组成：(1) 控制模块：ATC89C51 单片机；(2) 超声波发射接收模块：HC-SR04 超声波模块；(3) 显示模块：LCD1602 液晶显示温度、测量距离、距离预置值；(4) 驱动模块：电机驱动门（灯）模块；(5) 温度补偿模块：DS18B20

24、 温度传感器芯片；(6) 报警模块：蜂鸣器；(7) 按键模块：调整距离预置值；图 3.1 系统设计整体框图皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)94 主要元器件介绍4.1 AT89S52 单片机单片机即单片微型计算机 SCMC（Single Chip MicroComputer） 。它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如 CPU（进行运算、控制） 、RAM（数据存储） 、ROM（程序存储） 、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等） 、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯片里，所以又称为微控制器 MCU（Microcontroller Unit） 。本设计采用的微控制器是一种带 8K

25、 字节可编程 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低功耗、高性能 CMOS 8位微处理器的 AT89S52 单片机。它的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89S52 是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4.1.1 单片机特性AT89 S52 提供以下标准功能：8k 字

26、节 Flash 闪速存储器，256 字节内部RAM，32 个 I/O 口线，三个 16 位定时/计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)104.1.2 单片机管脚图 4.1 AT89S52 引脚图如图 4.1 所示 AT89S52 单片机一共有 40

27、个引脚，可以概括为一下几类：(1)电源引脚VSS第 20 脚，电路接地电平。VCC第 40 脚，接 +5V 电源。(2)时钟源XTAL1第 19 脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。当直接采用外部信号时，此引脚应接地。XTAL2第 18 脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。(3）多功能 I/O 端口P0 口第 3239 脚，P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收8TTL 门电流。当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据

28、存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。P1 口第 18 脚，P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)11用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收，P1 口的第二功能如下表 4.2 所示：表 4.2 P1 口第二功能引脚第二功能P1.0

29、T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2 口第 2128 脚，P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出

30、地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口第 1017 脚，P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可以做 AT89S52 的一些特殊端口，如下表 4.2 所示：表 4.2 P3 口第二功能端口引脚特殊功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串

31、行输出口）P3.2 （外中断 0）0INTP3.3 （外中断 1）1INTP3.4T0 （定时/计数器 0）皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)12P3.5T1 （定时/计数器 1）P3.6 （外部数据存储器写选通）WRP3.7 （外部数据存储器读选通）RD4）控制、选通或复用RST/VPD第 9 脚：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。第 30 脚：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于PROGALE/锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的

32、 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。第 29 脚：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期PSEN间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。第 31 脚：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器/VPP/EA（0000H-FFF

33、FH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。4.2 温度传感器 DS18B20DS18B20 是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。4.2.1 DS18B20 简述温度传感器主要由热敏元件组成的，本设计所采用的是美国 DALLAS 半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器和极小的温度延迟等优点，可直接将温度转化成数字信号处理

34、。测量的温度范围是-55+125，测量温差0.5C。皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)134.2.2 DS18B20 工作原理图 4.3 DS18B20 测温原理如图 4.3 所示为 DS18B20 测温原理图，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被装入，计数器

35、 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图 4.4 DSB18B20 内部结构如图 4.4 所示为 DSB18B20 内部结构图，主要由四部分组成：64 位光刻 ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)14如下图 4.5 所示为 DSB18B20 引脚及不同封装图，1 号引脚 GND 为电源地，2 号引脚 DQ 为数字信号输入/输出端，3 号引脚 VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 。

36、实际电路连接如图 4.6 所示。图 4.5 DS18B20 引脚及不同封装图 4.6 DS18B20 仿真连接图4.2.3 DS18B20 主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电；（2）独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯；（3）DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；（4）DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；皖西学院 2011 届本科毕业设计

37、(论文)15（5）温范围55+125，在-10+85时精度为0.5；（6）可编程 的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温；（7）在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在750ms 内把温度值转换为数字，速度更快；（8）测量结果直接输出数字温度信号，以一 线总线串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。4.3 超声波传感器 HC-SR04HC-SR04 超声波测距模块可提供 2c

38、m5m 的测距范围，具有非接触式距离感测功能，测距精度可达到 3mm， HC-SR04 模块包括超声波发射器、接收器和控制电路，价格便宜，也便于单片机控，实物图如下图 4.7 所示。图 4.6 HC-SR04 实物图4.3.1 HC-SR04 主要参数表 4.7 HC-SR04 电气参数电器参数HC-SR04 超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40KHz最近射程2cm最远射程4m皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)16测量角度15输入触发信号10us 的 TTL 脉冲输出回响信号输出 TTL 电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm4.3.2 HC-SR04 原

39、理图如下图 4.8 所示，为 HC-SR04 的内部电路结构图，主要包括两部分，超声波发射电路和超声波接收电路，其中包括三个主要芯片:STC11 芯片、MAX232 芯片、TL074 芯片，还有 T40 超声波发送探头和 R40 超声波接收探头等。图 4.8 HC-SR04 电路原理图4.3.3 HC-SR04 工作原理如图 4.8 所示，HC-SR04 模块中有 4 个外接引脚：VCC 电源端、GND 接地端、Trig 触发控制信号输入端、Echo 回响信号输出端，其中的各个芯片作用STC11 芯片为一个微控制器用于控制超声波信号的发送和探测超声波信号。MAX232 芯片为单电源电平转换芯片

40、，用来升压驱动超声波探头。TL074 芯片是一个低噪声运放，用来放大接收信号。收发一体化的超声波测距传感器 HC-SR04 的工作过程：当 Tring 收到一个宽皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)17度超过 10us 的高脉冲后，STC11 芯片控制 P53 脚置低，通过 P51 和 P52 脚输出 8个 40KHz 的脉冲信号，该信号通过 MAX232 芯片将 TTL 电平转换成可以驱动振荡器的高电压，放大后驱动超声波探头 T40 发出超声波，信号发送完成后将 P67置高，P61 置低，等待回波。当超声波接收探头 R40 接收到回波后，接收放大电路便输出放大后的接收信号到 TL074

41、 芯片的第一通道同相输入口，此时 Q2 导通，P60 此时变为低，STC11 检测到这个变化便将 Echo 脚置低，表示接收到了回波。Echo 的高电平持续时间即为超声波发送到接收回波的延迟时间，通过单片机定时器测量这个时间，即可测出被测物和探头之间的距离，测的距离=（高电平时间 t*声速 c）/2。图 4.9 超声波时序图如图 4.9 超声波时序图所示，充分的验证了上面的工作过程。4.4 LCD1602 液晶显示器LCD1602 液晶显示器为工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。4.4.1 LCD1602 简介LCD1602 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵

42、型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。4.4.2 LCD1602 管脚及特性（1）管脚：皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)18第 1 脚：GND 为电源地；第 2 脚：VCC 接 5V 电源正极；第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度） ；第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存

43、器；第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作；第 6 脚：E(或 EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令；第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据端。第 1516 脚：空脚或背灯电源，第 15 脚为背光正极，第 16 脚为背光负极。（2）特性：工作电压为 3.3V 或 5V，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有 80 字节显示数据存储器DDRAM；内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM；8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器

44、 CGRAM；特征应用：微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。操作控制：开始时初始化 E 为 0，然后置 E 为 1。4.5 步进电机步进电机与一般电机结构类似，特别的地方在于其内部的转子和定子，上面有很多细小的齿，转子为永久磁铁，线圈是绕在定子上的，根据线圈的配置，可分为2 相、4 相、5 相等多种。4.5.1 步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角） 。步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（VR） 、永皖西学院 2011

45、届本科毕业设计(论文)19磁式（PM） ，和混合式（HS） ，按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。图 4.10 步进电机4.5.2 步进电机工作原理和特点图 4.11 步进电机结构由于根据步进电机的步距脚产品种类多，这里只介绍一种，如图 4.11 所示，为步进电机的结构图，主要有定子和转子两部分组成，他们均由磁性材料构成。定子上有 6 个磁极，上面套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相组成一相控制绕组，转子上没有绕组。步进电机的工作方式可分为：三相单三拍，三相单双六拍等。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得

46、转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)20一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积；来一个脉冲，转一个步距角，控制脉冲频率可控制电机转速，改变脉冲顺序，可改变转动方向；角位移量或线位移量与电脉冲数成正比；三相步进电机的步进角度为 7.5 度，一圈 360 度，需要 48 个脉冲完成；步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。5 硬件电路设计本系统的主

47、要硬件设计包括以下模块：AT89S52 单片机模块、DS18B20 测温模块、HC-SR04 超声波集成模块、LCD 显示模块、电机控制模块。5.1 AT89S52 单片机模块本模块采用的是 AT89S52 单片机，它主要管脚功能及特性等介绍参见第四章4.1 AT89S52 单片机介绍。由 AT89S52 所构成的单片机最小系统如图 5.1 所示，它包括复位电路和晶振电路。图 5.1 AT89S52 单片机模块5.2 DS18B20 测温模块本模块采用的是温度传感器 DS18B20，它主要功能及工作原理参见第四章 4.2 DS18B20 测温模块介绍，2 号引脚 DQ 接单片机 P2.4 脚。

48、皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)21图 5.2 DS18B20 测温模块5.3 HC-SR04 超声波集成模块本模块采用的是收发一体化的 HC-SR04 的超声波测距传感器，它是一个由超声波发射电路、超声波接收电路以及放大电路集成到一起的超声波集成模块，它具体的使用说明和工作原理参见第四章 4.2 超声波传感器 HC-SR04 介绍，设计电路如图 5.1 所示，TRIG 接单片机 P2.5 脚，ECHO 接单片机 P3.2 脚。图 5.3 HC-SR04 模块5.4 LCD 显示模块本模块采用的是 LCD1602 液晶显示器，它具体的使用说明和特性参见 4.4 LCD1602 液晶显

49、示器介绍，如图 5.4 所示，LCD1602 管脚 1 接地，2 脚接+5V 电源，3 脚接一个 10K 的电位器调整对比度，4 脚为寄存器选择接单片机 P2.0 脚，5脚为读写信号线接单片机 P2.1 脚，6 脚为使能端接单片机 P2.2 脚，714 脚为双向数据端接单片机 P0 口，15 脚背光正极接 VCC，16 脚背光负极接单片机 P2.6 脚。皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)22图 5.4 LCD 显示模块5.5 电机控制模块本模块采用步进电机控制，其驱动方式有很多种，本设计采用 1-2 相驱动方式，使用集成驱动芯片 ULN2003，该芯片耐高压，由 7 个硅 NPN 达林

50、顿管组成，每一对达林顿管都串联一个 2.7K 的基极电阻，在 5V 的工作电压下能与 TTL 和 CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。如图 5.5 所示，是 ULN2003 芯片驱动步进电机的电路图，ULN2003 接单片机 P1 口。图 5.5 ULN2003 驱动步进电机皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)236 软件设计本系统的软件设计采用模块化设计方法，主要包括 DS18B20 子程序、LCD1602 子程序、超声波发送和超声波接收程序、电机驱动子程序。6.1 主程序流程图 6.1 主程序流程图如图 6.1 所示为主程序流程图，系统上电后，首先进

51、行 LCD1602 和 DS18B20等初始化，然后进行超声波测距，当测得的距离大于上限 5m 时，LCD 测距显示“CCC” ，小于 2cm 时，LCD 测距显示“-” 。系统所测得的距离小于预置值200cm 时，电机正转，表示开门，延时一段时间后，电机反转，表示关门，测距在200-500 时，系统循环测距。皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)246.2 子程序设计6.2.1 DS18B20 子程序测温的主要器件是 DS18B20，它的工作原理参见第四章，这部分程序包括DS18B20 初始化函数、读写字节函数和读取温度函数，初始化函数如下：bit Init_DS18B20(void)b

52、it dat=0;DQ = 1; /DQ 复位 DelayUs2x(5); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将 DQ 拉低 DelayUs2x(200); /精确延时 大于 480us 小于 960us DelayUs2x(200); DQ = 1; /拉高总线 DelayUs2x(50); /1560us 后 接收 60-240us 的存在脉冲 dat=DQ; /如果 dat=0 则初始化成功, dat=1 则初始化失败 DelayUs2x(25); /稍作延时返回 return dat;6.2.2 LCD1602 子程序用于显示的 LCD1602 液晶显示驱动软件包括 LCD1602

53、初始化函数、写命令函数、写字符函数、写字符串函数，其初始化函数如下：void Init_LCD1602()/初始化write_com(0 x38); /8 为数据，双列，5*7 字形write_com(0 x0c); /开启显示屏，关光标，光标不闪烁write_com(0 x06); /显示地址递增，即写一个数据后，显示位置右移一位write_com(0 x01); /清屏皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)256.2.3 超声波发送和超声波接收程序用于测量超声波发送和接收的传感器使用的是 HC-SR04 传感器，它集成超声波发送、接收和放大信号电路于一体，价格便宜，便于操作。程序中对测

54、量的上限值和下限值（盲区）都做了处理，设置了预置值，当测距小于这个距离时，电机驱动门开，距离主要计算程序如下：distance = TH0 * 256 + TL0; /读取时间数据wdz = 0.00000607 * temp; /温度补偿计算speed = 0.03315 + wdz;/速度distance = distance * speed / 2 - 8;/测得距离超声波检测子程序流程图如下图 6.2 所示：图 6.2 超声波收发程序6.2.4 电机驱动子程序选用步进电机控制门的开关，采用 1-2 相（半步）驱动的方式驱动电机，驱动信号为：10011000110001000110001

55、000110001（正转）00010011001001100100110010001001（反转）实现正反转函数如下所示：皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)26正转：void motor_zz(void)unsigned int i,j;for(i = 0; i 5; i+)for(j = 0;j 8;j+)motor = zzj;DelayMs(100);反转：void motor_fz(void)unsigned int i,j;for(i = 0; i 5; i+)for(j = 0; j 保存工程-选择“Ateml”下的“AT89C52”芯片；（2）如 7.1 图所示，在工程文

56、件上右击“源代码组 1”-选择“添加文件到源代码组 1” ，这样.c 文件就加载到工程中了；图 7.1 Keil 工程文件图（3）在工程文件上右击“目标 1”-选择“为目标目标 1设置选项”-在项目选项下设置设置时钟（MHz）为 12.0-在输出选项下勾选“产生 HEX 文件”-确皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)27定；（4) 鼠标左键单机图 7.1 中第一排的第 2，3 选项，即可生成.hex 可执行文件。7.2 硬件设计（1）文件-新建-原理图，会出现绘图界面，如图 7.2 所示，右侧红框标记的“库”里面有各种元器件，没有的就要自己画了，从中可以选择相应的元器件；（2）选择好元器

57、件后，如图 7.2 上面红框标记的是工具栏，里面有线、总线、网络标号等；（3）绘制好原理图后，保存即可；（4）附录一为本设计整体原理图。图 7.2 AltiumDesigner 绘图界面7.3 软硬件仿真设计如图 7.3 所示，打开 Proteus 后会出现绘图界面，通过按钮“P”选择元器件，在绘制工具栏里有各种器件模式选择。皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)28图 7.3 Proteus 绘图界面绘制好仿真原理图后，双击所选用的 AT89C52 芯片，会弹出一个界面，在Program File 选项中，电机文件夹图形，加载 Keil 生成的.hex 文件，再电机仿真开始按钮，即实现仿真，仿真图如图 7.4 所示。图 7.4 Proteus 系统仿真7.4 仿真结果如图 7.5 所示，系统上电后，LCD 显示测距 2.36m，温度 21.0，预置值皖西学院 2011 届本科毕业设计(论文)292.00m。图 7.5 LCD 初始化显示如图